Линейные стабилизаторы напряжения | joyta.ru

Стабилизация напряжения в современных электронных устройствах очень важный элемент. Цифровые схемы требуют стабильного и надежного питания.

Самая простая схема стабилизации напряжения, которую мы можем встретить на практике – это система на основе стабилитрона. Базовый режим работы стабилитрона показан на следующем рисунке:

Эта система использует эффект стабилитрона, который происходит во время пробоя p-n перехода при обратном смещении. Это приводит к протеканию тока, и весь избыток напряжения гасится на балластном резисторе. Величина падения напряжения определяется силой тока, протекающего через него.

Поэтому фиксированный тока через стабилитрон фиксирует падение напряжения на резисторе и тем самым стабилизируется выходное напряжение. Стабилитроны изготавливаются на различные напряжения в диапазоне от 1,5В до 200В.

Но, часто для стабилизации напряжения на практике применяются специализированные микросхемы, которые можно разделить на две группы:

  • с возможностью регулировки напряжения
    — положительная полярность
    — отрицательная полярность
  • без возможности регулировки напряжения
    — положительная полярность
    — отрицательная полярность

Интегральные стабилизаторы напряжения имеют три основные характеристики:

  • выходное напряжение
  • максимальный ток
  • минимальное входное напряжение

На вход стабилизатора напряжения, необходимо подавать большее напряжение, чем то, которые должно быть на выходе.

В самых распространенных стабилизаторах разница между входным и выходным напряжением составляет около 2В. Но также существуют стабилизаторы LDO стабилизаторы, в которых эта разница намного ниже. Это напряжение часто обозначается как VDO

Среди популярных не регулируемых стабилизаторов можно отметить:
78xx – самый известный из всех стабилизаторов положительного напряжения. Выпускается в различных версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.
79xx – самый популярный из всех стабилизаторов отрицательного напряжения. Производятся в версиях на напряжения: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 вольт, VDO = 2В.

LM2940x – LDO стабилизатор положительного напряжения. На напряжение: 5, 8, 9, 10, 12, 15 вольт, VDO = 0,5В.

Среди регулируемых стабилизаторов напряжения наиболее известны:
LM317 – диапазон выходных напряжений от 1,25 до 37 вольт, VDO = 3В.
LM337 – диапазон выходных напряжений от -1,25 – 37 вольт, VDO = 5В.

Современные стабилизаторы напряжения имеют различного рода тепловую защиту и защиту по току, что обеспечивает безопасность работы и снижает шансы на «сгорание» схем.

Кроме линейных стабилизаторов существует также группа импульсных стабилизаторов. Отличаются они, безусловно, больший КПД (меньше энергии уходит на тепловые потери). Интересной особенностью является то, что они позволяют поднимать и снижать напряжения, что очень полезно во время питания микросхем от батареи.

www.joyta.ru

Линейные стабилизаторы напряжения | Основы электроакустики

Выходное напряжение на выходе фильтра обычно имеет значительные пульсации, так как емкости конденсаторов не могут быть выбраны бесконечно большими. Кроме того, выходное напряжение таких схем сильно зависит от колебаний напряжения сети и изменения нагрузки. Для уменьшения влияния этих факторов обычно используют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатор напряжения (СН) – это устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Обычно СН представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования напряжения, в которой выходное напряжение поддерживается равным или пропорциональным стабильному опорному напряжению, создаваемому специальным источником опорного напряжения (ИОН). Стабилизаторы такого типа, называемые компенсационными, содержат регулирующий элемент (биполярный или полевой транзистор), включаемый последовательно или параллельно нагрузке. Регулирующий элемент может работать в активном (непрерывном) режиме, в этом случае стабилизатор называется линейным или с непрерывным регулированием, а также в ключевом режиме. В этом случае стабилизатор называется ключевым или импульсным.

Линейные стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. Параметрические стабилизаторы являются простейшими устройствами, в которых малые изменения выходного напряжения достигаются за счет применения электронных приборов, характеризующихся ярко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики. Схема и принцип действия такого стабилизатора рассматривались в главе 4.

Параметрические стабилизаторы применяются в основном для построения источников опорного напряжения (ИОН). Так как стабильность ИОН определяет качество компенсационных стабилизаторов, то к стабилитронам применяются особые требования по стабильности характеристик. Чтобы повысить коэффициент стабилизации, применяют температурно-компенсиро-ванные двух- и трехвыводные стабилитронные интегральные микросхемы. Такие ИМС имеют в своем составе транзисторы, операционные усилители и обладают весьма стабильными характеристиками. На рис.17.2, а показана схема источника опорного напряжения TL431С (отечественный аналог – 142ЕН19). Это недорогой источник опорного напряжения на «программируемом стабилитроне», его схема включения показана на рис.17.2, б.

Рис.17.2. ИМС ИОН (а) и схема ее включения (б)

 

«Стабилитрон» включается, когда управляющее напряжение достигает 2,75 В («стабилитрон» собран из биполярных транзисторов). Этот прибор по управляющему входу потребляет то всего лишь в несколько микроампер и имеет малый температурный коэффициент выходного напряжения. При указанных в схеме параметрах на выходе получается стабилизированное напряжение 10 В.

Компенсационные стабилизаторы (рис.17.3) представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. Характерными элементами компенсационного стабилизатора является ИОН, элемент сравнения и усиления (ЭСУ) и регулирующий элемент (РЭ).

 

Рис.17.3. Структурная схема компенсационного стабилизатора

 

Напряжение на выходе стабилизатора или некоторая часть этого напряжения сравнивается с эталонным напряжением. В зависимости от их соотношения ЭСУ вырабатывает сигнал для РЭ, изменяющий режим его работы таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось практически постоянным.

Чаще всего РЭ включают последовательно с нагрузкой. В этом случае стабилизатор называют последовательным. В случае включения РЭ параллельно нагрузке стабилизатор называют параллельным.

Простейшим последовательным стабилизатором (рис.17.4) напряжения является эмиттерный повторитель, база транзистора которого подключена к источнику опорного напряжения. В схеме опорное напряжение получается с помощью параметрического стабилизатора на стабилитроне VD и резисторе R.

 

Рис.17.4. Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

 

За чет отрицательной обратной связи по напряжению выходное напряжение стабилизатора устанавливается равным величине UВЫХ = UОПОРНUБЭ.

Схема работает следующим образом. Возьмем для примера, что входное напряжение увеличилось. В первый момент выходное напряжение также будет увеличиваться, управляющее напряжение транзистора UБЭ = UОПОРНUВЫХ уменьшается, транзистор подзапирается, сопротивление коллектор-эмиттер его увеличивается, а выходное напряжение уменьшается, компенсируя изменение входного сигнала. В данной схеме транзистор совмещает в себе функции ЭСУ и РЭ. Для улучшения параметров схемы дополнительно включают усилитель сигнала рассогласования (рис.17.5).

 

Рис.17.5. Стабилизатор напряжения с усилителем на ОУ

 

Недостатком таких схем является критичность к короткому замыканию (КЗ) на выходе. В случае короткого замыкания рассеиваемая на транзисторе мощность превысит допустимую и транзистор выйдет из строя. Для защиты схемы от КЗ используется принцип, который поясняется схемой, приведенной на рис.17.6.

 

 

Рис.17.6. Стабилизатор с защитой от короткого замыкания

Для защиты от КЗ в схему дополнительно введены резистор R3 и транзистор VT2. Если произойдет недопустимое увеличение тока, то падение напряжения на R3 превысит величину, равную приблизительно 0,6 В, транзистор VТ2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VT1.

В настоящее время стабилизаторы напряжения выпускаются в виде интегральных микросхем. Наиболее известная серия отечественных ИМС компенсационных линейных стабилизаторов – серия К142ЕН. В эту серию входят стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением, с регулируемым выходным напряжением и двухполярным и входным и выходным напряжением.

ИМС стабилизаторов имеют всего три внешних вывода (вход, выход и общий) и настраивается изготовителем на нужное фиксированное напряжение. На рис. 17.7 показано, как легко сделать стабилизатор, например на 5 В с применением одной из этих схем.

 

Рис.17.7. Стабилизатор на ИМС К142ЕН5

 

Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне при высоких частотах. ИМС стабилизаторов выпускаются в пластмассовых и металлических корпусах, как и транзисторы. На рис. 17.8 приведена схема блока питания с ИМС стабилизатора напряжения.

 

Рис.17.8. Блок питания на ИМС стабилизатора напряжения

 

В тех случаях, когда через нагрузку необходимо пропускать ток, превышающий предельно допустимые значения интегральных стабилизаторов, микросхему дополняют внешними регулирующими транзисторами (рис.17.9).

ИМС стабилизаторов, как правило, снабжены внутренней защитой от повреждений в случае перегрева или чрезмерного тока нагрузки (ИМС не «сгорает», а выключается). Кроме того, предусмотрена защита прибора при выходе его из области безопасной работы за счет уменьшения предельно возможного выходного тока при увеличении разности входного и выходного напряжений.

 

Рис.17.9. ИМС стабилизатора с внешним транзистором

 

ИМС стабилизаторов дешевы, удобны в использовании, имеют широкую номенклатуру. Такое разнообразие схем дает возможность разработчикам не «изобретать» самостоятельно схемы стабилизаторов, а выбирать готовые по каталогам фирм-производителей.

Основной недостаток линейных СН – малый коэффициент полезного действия. КПД схемы зависит от соотношения входного UВХ и выходного UВЫХ . Для большинства линейных стабилизаторов значение КПД невелико и не превышает 50%, однако известны схемные решения, увеличивающие КПД до 90%. Особенно невыгодно применение линейных СН в случае большой разницы входного и выходного напряжения, отметим также, что все линейные СН являются понижающими, то есть UВЫХ для них всегда ниже UВХ.

 

 

 

audioakustika.ru

О стабилизаторах напряжения и стабилизаторах тока «Крен» привет

В обсуждениях электрических схем часто встречаются термины «стабилизатор напряжения» и «стабилизатор тока». Но какая между ними разница? Как работают эти стабилизаторы? В какой схеме нужен дорогой стабилизатор напряжения, а где достаточно простого регулятора? Ответы на данные вопросы вы найдёте в этой статье.

Рассмотрим стабилизатор напряжения на примере устройства LM7805.В его характеристиках указано: 5В 1,5А.  Это значит стабилизирует он именно напряжение и именно до 5В. 1,5А — это максимальный ток, который может проводить стабилизатор. Пиковая сила тока. То есть от может отдать и 3 миллиампера, и 0,5 ампер, и 1 ампер. Столько, сколько тока требует нагрузка. Но не больше полутора. Это главное отличие стабилизатора напряжения от стабилизатора тока.

Виды стабилизаторов напряжения

Различают всего 2 основных типа стабилизаторов напряжения:

  • линейные
  • импульсные

Линейные стабилизаторы напряжения

Например, микросхемы КРЕН или LM7805LM1117LM350.

Кстати, КРЕН — это не аббревиатура, как многие думают. Это сокращение. Советская микросхема-стабилизатор, аналогичная LM7805 имела обозначение КР142ЕН5А. Ну а ещё есть КР1157ЕН12В, КР1157ЕН502, КР1157ЕН24А и куча других. Для краткости всё семейство микросхем стали называть «КРЕН». КР142ЕН5А тогда превращается в КРЕН142.

Советский стабилизатор КР142ЕН5А. Аналог LM7805.

Стабилизатор LM7805

Наиболее распространенный вид. Недостаток их в том, что они не могут работать на напряжении ниже, чем заявленное выходное напряжение. Если LM7805 стабилизирует напряжение на 5 вольтах, то на вход ему подать нужно как минимум на полтора вольта больше. Если подать меньше 6,5 В, то выходное напряжение «просядет», и мы уже не получим 5 В. Еще один минус линейных стабилизаторов — сильный нагрев при нагрузке. Собственно, в этом и заключается принцип их работы — всё, что выше стабилизируемого напряжения, просто превращается в тепло. Если мы на вход LM7805 подадим 12 В, то 7 потратятся на нагрев корпуса, а 5 пойдут потребителю. Корпус при этом нагреется настолько сильно, что без радиатора микросхема просто сгорит. Из всего этого вытекает ещё один серьёзный недостаток — линейный стабилизатор не стоит применять в устройствах с питанием от батареек. Энергия батареек будет тратиться на нагрев стабилизатора. Всех этих недостатков лишены импульсные стабилизаторы.

Импульсные стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы — лишены недостатков линейных, но и стоят дороже. Это уже не просто микросхема с тремя выводами. Выглядят они, как плата с детальками.

Один из вариантов исполнения импульсного стабилизатора.

Импульсные стабилизаторы бывают трех видов: понижающие, повышающие и всеядные. Наиболее интересные — всеядные. Независимо от напряжения на входе, на выходе будет именно то, которое нам нужно. Всеядному импульснику все равно, что на входе напряжение ниже или выше нужного. Он сам автоматом переключается в режим повышения или понижения напряжения и держит заданное на выходе. Если в характеристиках заявлено, что стабилизатору на вход можно подать от 1 до 15 вольт и на выходе будет стабильно 5, то так оно и будет. Кроме того, нагрев импульсных стабилизаторов настолько незначителен, что в большинстве случаев им можно пренебречь. Если ваша схема будет питаться от батареек или размещаться в закрытом корпусе, где сильный нагрев линейного стабилизатора недопустим — ставьте импульсный.

Купить  —  LM7805 10 штук на Алиєкспресс

Импульсный стабилизатор (повышайка) MT3608 2A на Алиєкспресс

Импульсный стабилизатор 5А (понижайка) XL4015на Алиэкспресс

Хорошо. А что со стабилизатором тока?

Не открою Америку, если скажу, что стабилизатор тока стабилизирует ток.
Токовые стабилизаторы ещё иногда называют светодиодным драйвером. Внешне они похожи на импульсные стабилизаторы напряжения. Хотя сам стабилизатор — маленькая микросхема, а всё остальное нужно для обеспечения правильного режима работы. Но обычно драйвером называют всю схему сразу.

Примерно так выглядит стабилизатор тока. Красным кружком обведена та самая схема, которая и является стабилизатором. Всё остальное на плате — обвязка.

Итак. Драйвер задаёт ток. Стабильно! Если написано, что на выходе будет ток в 350мА, то будет именно 350мА. А вот напряжение на выходе может меняется в зависимости от требуемого потребителем напряжения. Не будем пускаться в дебри теории о том. как всё это работает. Просто запомним, что вы напряжение не регулируете, драйвер сделает все за вас исходя из потребителя.

Ну так и зачем всё это нужно то?

Теперь вы знаете, чем стабилизатор напряжения отличается от стабилизатора тока и можете ориентироваться в их многообразии. Возможно, вам так и не стало понятно, зачем эти штуки нужны.

Пример: вы хотите запитать 3 светодиода от бортовой сети автомобиля. Главное  для светодиода важно контролировать именно силу тока. Используем самый распространенный вариант соединения светодиодов: последовательно соединены 3 светодиода и резистор. Напряжение питания — 12 вольт.

Резистором мы ограничиваем ток на светодиоды, чтобы они не сгорели. Падение напряжения на светодиоде пусть будет у нас 3.4 вольта.
После первого светодиода остается 12-3.4= 8.6 вольт.
Нам пока хватает.
На втором потеряется еще 3.4 вольта, то есть останется 8.6-3.4=5.2 вольта.
И для третьего светодиода тоже хватит.
А после третьего останется 5.2-3.4=1.8 вольта.
При желании добавить четвёртый светодиод — уже не хватит.
Если напряжение питания поднять до 15В, то тогда хватит. Но тогда и резистор тоже надо будет пересчитать. Резистор — простейший стабилизатор (ограничитель) тока. Их часто ставят на те же ленты и модули. У него есть минус — чем ниже напряжение, тем меньше будет и ток на светодиоде (закон Ома, с ним не поспоришь). Значит, если входное напряжение нестабильно (в автомобилях обычно так и есть), то предварительно нужно стабилизировать напряжение, а потом можно ограничить резистором ток до необходимых значений. Если используем резистор, как токовый ограничитель там, где напряжение не стабильно, нужно стабилизировать напряжение.

Стоит помнить, что резисторы имеет смысл ставить только до определенной силы тока. После некоторого порога резисторы начинают сильно греться и приходится ставить более мощные резисторы . Тепловыделение растёт, КПД падает.

Импульсный стабилизатор тока

Импульсный стабилизатор тока тоже называют светодиодным драйвером. Часто те, кто не сильно разбирается в этом, стабилизатор напряжения называют просто драйвером светодиодов, а импульсный стабилизатор тока — хорошим светодиодным драйвером. Он выдаёт сразу стабильное напряжение и ток. И почти не нагревается. Вот так он выглядит:

www.electronica52.in.ua

Линейные стабилизаторы напряжения




 

Стабилизатором напряжения называется устройство, автоматически поддерживающее напряжение на нагрузке при изменении в определенных пределах таких дестабилизирующих факторов, как напряжение первичного источника, сопротивление нагрузки, температура окружающей среды.

Существует два вида стабилизаторов – параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор использует элементы, в которых напряжение остается неизменным при изменении протекающего через них тока. Такими элементами являются стабилитроны, в которых при изменении тока в очень широких пределах падение напряжения изменяется на доли процента. Параметрические стабилизаторы применяются, как правило, в качестве источников опорного (эталонного) напряжения. Схема параметрического стабилизатора напряжения представлена на рисунке 8.

 

Рисунок 8.

 

Принцип работы компенсационного стабилизатора основан на сравнении фактического напряжения на нагрузке с эталонным и увеличении или уменьшении в зависимости от этого отклонения выходного напряжения. Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9А, а принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа представлена на рисунке 9Б.

Эталонное напряжение формируется источником опорного напряжения (ИОН). В сравнивающем элементе (СЭ) происходит сравнение напряжения на нагрузке с эталонным и выработка управляющего сигнала рассогласования. Этот сигнал усиливается усилителем (У) и подается на регулирующий элемент (РЭ), который обеспечивает такое изменение выходного напряжения, которое приводит к приближению фактического напряжения на нагрузке к эталонному значению.

Рисунок 9

 


В простейшем компенсационном стабилизаторе (Рисунок 9Б) опорным напряжением является напряжение UCT стабилитрона VD, а сравнивающим элементом, усилителем и одновременно регулирующим элементом – транзистор VT.

Поскольку нагрузка транзистора VT в цепи эмиттера, то это схема с общим коллектором и выходное напряжение определяется по формуле:



Режим работы транзистора выбирают таким образом, чтобы исходная рабочая точка располагалась на середине линейного участка его входной характеристики. Напряжение UЭБ при этом для кремниевого транзистора составит ≈ 0,7 В.

Предположим, что по каким-либо причинам напряжение на нагрузке UВЫХ уменьшилось. Это приведет к увеличению падения напряжения

UЭБ = UСТ — UВЫХ , что, в свою очередь, увеличит степень открытия транзистора. В результате падение напряжения на транзисторе UКЭ уменьшится, а, значит, увеличится напряжение на нагрузке UВЫХ = UВХ – UКЭ , и в итоге напряжение на нагрузке восстановится. Аналогичное восстановление выходного напряжения произойдет и при его увеличении. Только в этом случае произойдет уменьшение степени открытия транзистора и соответствующее увеличение падающего на нем напряжения UКЭ .

Транзистор включен по схеме с общим коллектором и его выходным напряжение является UСТ . Так как IБ << IH , схема позволяет отдавать в нагрузку значительную мощность. Коэффициент стабилизации такой схемы составляет КСТ = 150…300. В рассмотренной схеме сигнал рассогласования формируется на самом регулирующем транзисторе. Более высокую степень стабилизации обеспечивают схемы, в которых на базу регулирующего транзистора поступает предварительно усиленный сигнал рассогласования. В рассмотренных стабилизаторах напряжения регулирующий транзистор всегда открыт, а само регулирование осуществляется путем изменения степени его открытия, т.е. линейно. Поэтому такие стабилизаторы называются линейными.

Более современными являются стабилизаторы напряжения, выполненные в виде интегральных микросхем. Именно такой стабилизатор напряжения используется в учебном стенде и представлен на рисунке 10.

 

 

Рисунок 10

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор напряжения, являются:

1) Коэффициент стабилизации КСТ, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора:

,

где UВХ и UВЫХ – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора, ΔUВХ и ΔUВЫХ – изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.




Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2) Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении:

, при UВХ = const.

3) Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности:

 

 











infopedia.su

Линейные стабилизаторы напряжения — Мегаобучалка

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости отспособа стабилизации:

параметрический: в таком стабилизаторе используется участок вольт-амперной характеристики (ВАХ) прибора, имеющий большую крутизну.

компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента. Они достаточно универсальны и могут быть изготовлены в виде интегральных микросхем стабилизаторов напряжения.

Микросхемы линейного стабилизатора напряжения (ЛCH) включают помимо силовых регуляторов более или менее сложную маломощную схему управления. Принципиальная трудность создания интегральных стабилизаторов заключается в том, что силовые транзисторы рассеивают значительную мощность, вызывая локальный нагрев кристалла с существенным градиентом температур. Это резко ухудшает стабильность параметров схемы управления, в состав которой входит источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель ошибки, цепи защиты от перегрузок по току и короткого замыкания нагрузки, от перегрева кристалла и других аварийных или нештатных режимов.

Монолитный линейный интегральный стабилизатор напряжения был впервые разработан Р. Видларом в 1967 году. Эта микросхема (рА723) содержит регулирующий транзистор, включенный последовательно между источником нестабилизированного напряжения и нагрузкой, усилитель ошибки и термокомпенсированный источник опорного напряжения. Схема оказалась настолько удачной, что в начале 70-х годов выпуск ее доходил до 2 млн штук в месяц! По массовости применения ЛCH стоят на втором месте после операционных усилителей.

В упрощенном виде схема линейного стабилизатора напряжения приведена на Рис. 1.

Рис. 1. Базовая схема линейного стабилизатора напряжения

 

Схема состоит из операционного усилителя в неинвертирующем включении с отрицательной обратной связью по напряжению, источника опорного напряжения VREF и регулирующего транзистора VT1 включенного последовательно с нагрузкой.

Выходное напряжение VOUT контролируется с помощью цепи отрицательной обратной связи, выполненной на резистивном делителе R1R2.

ОУ играет роль усилителя ошибки, в качестве которой здесь выступает разность между опорным напряжением VREF задаваемым источником опорного напряжения (ИОН), и выходным напряжением делителя R1R2

Схема работает следующим образом. Пусть по тем или иным причинам (например, из-за уменьшения сопротивления нагрузки или входного нерегулируемого напряжения) выходное напряжение стабилизатора VOUT уменьшилось. При этом на входе ОУ появится ошибка V> 0. Выходное напряжение усилителя возрастет, что приведет к увеличению тока базы, а, следовательно, и тока эмиттера регулирующего транзистора до значения, при котором выходное напряжение возрастет практически до первоначального уровня.

В случае идеального операционного усилителя установившееся значение ошибки, совпадающее с дифференциальным входным напряжением ОУ, близко к нулю. Отсюда следует, что

Питание операционного усилителя осуществляется от входного нерегулируемого однополярного напряжения, в данном случае положительного (при регулирующем транзисторе p-n-p-типа все напряжения в схеме должны быть отрицательными). Это накладывает ограничения на допустимый диапазон входных и выходных сигналов, которые в этих условиях должны быть только положительными

Для схем источников питания такое ограничение не играет роли, поэтому от использования напряжения другой полярности для питания ОУ можно отказаться. Еще одно преимущество подобной схемы состоит в том, что напряжение питания операционного усилителя можно удвоить, не опасаясь превысить его предельно допустимые параметры. Таким образом, стандартные операционные усилители можно использовать в схемах стабилизаторов с входным напряжением до 30 В. Хотя операционный усилитель питается от нестабилизированного входного напряжения VIN, благодаря глубокой отрицательной обратной связи влияние этого фактора на стабильность выходного напряжения невелико.

megaobuchalka.ru

Компенсационные стабилизаторы напряжения. | HomeElectronics

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.

Компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа 

Компенсационный стабилизатор напряжения параллельного типа

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой RH. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и RH таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером UКЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений UОП и UРЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение UРЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.


Схема стабилизатора тока. Подключение выводов: 1 – к коллектору VT1, вывод 2 – к коллектору VT. 


Схема дифференциального усилителя. Подключение выводов: 1 – к эмиттеру VT1, 2 – к базе VT1, 3 – к катоду стабилитрона VD1, 4 – к аноду стабилитрона VD1, 5 – к делителю напряжения.

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки IНmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации КСТ ≥ 103. Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от UНmin = 12 В до UНmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: UCEmax = 35 В, IC max = 7,5 А, PC max = 24 Вт, h21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами UСТ = 8 В, IСТ = 20 мА, rDIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия UCE2max < UCE max выбираем в качестве усилительного элемента транзистор типа П416 с h21e = 90 … 250.

7. Полагая, что IK2 ≈ IЕ2 = 10 мА < IC max, найдём сопротивление резистора R2:

8. Учитывая, что IR1 = IC(VT2) + IB(VT1), IB(VT1) = IHmax / (1 + h21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение UНmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Полагая

получим

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента IP изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – IBXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.


Схема простого компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

www.electronicsblog.ru

LDO линейный стабилизатор напряжения с низким падением

Аббревиатура LDO применительно к стабилизаторам или регуляторам напряжения расшифровывается как: “low drop out” или по-русски низкое падение на выходе. И это означает что чтобы получить требуемое напряжение на выходе стабилизатора входное напряжение должно не превышать выходное. Например в широко распространенном LDO стабилизаторе LM1117 для нормального функционирования стабилизатора достаточно падения в 1,2В.

Что позволяет сделать применение стабилизаторов с низким падением напряжения?
Например:

  • максимально снизить нижнюю границу диапазона работы устройства при питании от аккумуляторных батарей,
  • увеличить КПД блока питания в составе которого он трудиться,
  • обойтись без громоздких индуктивностей при фильтрации пульсаций напряжения (активный фильтр).

Как я уже писал, LM1117 считается стабилизатором с низким падением напряжения, с величиной этого самого падения в 1,2В. Я подумал, зачем такое относительно большое напряжение терять, ведь это удвоенное напряжение на p-n переходе транзистора из кремния? Почему бы не использовать полевой транзистор: в открытом состоянии канал полевого транзистора представляем собой лишь небольшое активное сопротивление.
Погуглив я нашел схемы где регулирование осуществляется полевым транзистором с n-каналом включенным в положительный провод питания. Вот только эти схемы требовали дополнительного источника питания, для управления затвором. Чтобы открыть полевой транзистор, на его затвор нужно было приложить напряжение на несколько Вольт выше напряжения на истоке, а значит и на выходе.
А вот почему бы не использовать p-канальный транзистор, он открывается отрицательным напряжением, которое у нас уже есть. И я нарисовал схему LDO использующую регулируемый стабилитрон TL431:

Эту схему я пока не собирал, возможно потребуются дополнительные RC-цепочки для предотвращения самовозбуждения схемы. Все таки TL431 склонна к самовозбуждению.

До применения полевого транзистора у меня были мысли использования биполярного p-n-p транзистора в качестве регулятора, в таком случае минимальное падение на стабилизаторе составило бы 0,6 В, что конечно поменьше чем 1,2 В.

Вот пара схем с биполярным транзистором.

Ещё я нагуглил на англоязычном форуме схему p-n-p транзистором, ту схему даже смоделировали и анализ частотной характеристики показал устойчивость схемы.
Если силовой биполярный транзистор заменить на полевой, то получим такую схему:

  • R1 — 68 кОм;
  • R2 — 10 кОм;
  • R3 — 1 кОм;
  • R4,R5 — 4,7 кОм;
  • R6 — 10 кОм;
  • VD1 — BZX84C6V2L;
  • VT1 — AO3401;
  • VT2,VT3 — 2N5550;

При указанных в перечне значениях VD1, R5, R6 напряжение на выходе стабилизатора составит 6 В.

hardelectronics.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о